Substrato de carbono poroso melhorando o desempenho de detecção de nanopartículas de cobre em relação à glicose

Resumo

Um sensor preciso para determinar rapidamente a concentração de glicose é de grande importância para a saúde do corpo humano, visto que o diabetes se tornou uma incidência muito alta em todo o mundo. Neste trabalho, nanopartículas de cobre acomodadas em substratos de carbono poroso (Cu NP @ PC), sintetizadas pela calcinação dos papéis de filtro impregnados com íons de cobre em alta temperatura, foram projetadas como os materiais ativos do eletrodo para sensoriamento eletroquímico de glicose. Durante a formação do carbono poroso, as nanopartículas de cobre se acomodaram espontaneamente nos vazios formados e constituíram os compósitos semicobertos. Para a oxidação eletroquímica da glicose, os compósitos Cu NP @ PC preparados exibem uma atividade catalítica muito superior com a densidade de corrente de 0,31 mA / cm ² no potencial de 0,55 V na presença de glicose 0,2 mM. Com base na alta atividade de oxidação eletroquímica, os atuais compósitos Cu NP @ PC também exibem um desempenho superior de detecção de glicose. A sensibilidade é determinada em 84,5 μA / (mmol ^. L) com uma faixa linear de 0,01 ~ 1,1 mM e um limite de detecção baixo (LOD) de 2,1 μmol / L. Em comparação com nanopartículas de cobre suportadas por carbono não poroso (Cu NP / C), isso pode ser razoável pela transferência de massa melhorada e efeito sinérgico fortalecido entre nanopartículas de cobre e substratos de carbono poroso.

Introdução

Nos últimos anos, o diabetes tem despertado grande atenção em todo o mundo, promovendo a determinação rápida e precisa da concentração de glicose [1]. Várias técnicas foram desenvolvidas [2]. Com os méritos de fácil operação, resposta rápida e alta sensibilidade, os métodos eletroquímicos são de particular interesse na detecção de glicose, e os materiais ativos do eletrodo são de extrema importância para os sensores [3, 4]. Até agora, os materiais relatados com boa atividade de resposta à glicose incluem metais nobres (ouro [4], prata [5], platina [6], paládio [7]), metal não nobre (cobre [8], níquel [9] ), óxidos de metal (óxido de zinco [10], óxido de manganês [11], óxido de níquel [12], óxido de ferro [13]) e materiais de carbono (nanotubos de carbono [14], nanopontos de carbono [15], carbono mesoporoso [16] ]), etc. Dentre esses materiais, os compósitos à base de cobre apresentam grande potencial para a construção de uma plataforma sensora de glicose eficiente, em decorrência do baixo custo [3], boa condutividade elétrica [17], área superficial específica controlada. Enquanto isso, é relatado que o desempenho eletroquímico de materiais à base de cobre será significativamente melhorado pela formação de compósitos com substratos carbonosos, como grafema [18, 19], nanofibras de carbono [20], nanotubos de carbono [21] e carbonos mesoporosos [22] . Por exemplo, Zhang et al. preparou as nanopartículas de cobre em compósitos de grafeno induzidos por laser e desenvolveu com sucesso um biossensor amperométrico de glicose livre de enzima flexível. Beneficiando-se de sua simplicidade e alta sensibilidade, esperava-se que o sensor fosse usado em biossensores vestíveis ou implantáveis ​​[23]. Usando o método de descarga de arco, os materiais compostos de CuO e nanotubos de carbono de parede única foram sintetizados pelo grupo de Wang. A rede altamente condutora facilitada por nanotubos de carbono levou a alta sensibilidade e boa seletividade na detecção de glicose [21]. Por causa da boa condutividade dos nanofios de cobre e da rápida transferência de elétrons em camadas de óxido de grafeno reduzido bidimensional (rGO), Ju et al. sintetizou um composto de nanofios de cobre unidimensionais e nanofolhas rGO bidimensionais, mostrando uma sensibilidade de 1625 \ (\ upmu \) A / (mM · cm ² ) e um limite de detecção de 0,2 \ (\ upmu \) M para a detecção de glicose [3]. O grande aprimoramento de desempenho de materiais à base de cobre alcançou, no entanto, ainda não é suficiente para as aplicações reais de dispositivos portáteis. Isso significa que é necessário pesquisar novos modelos ou correspondências para nanopartículas de cobre.

Com a estrutura de estrutura tridimensional especial [24], os carbonos porosos não só possuem locais de ligação abundantes para promover a dispersão dos centros ativos de metal, mas também fornecem uma área de superfície específica maior que melhora a acessibilidade de elétrons e substâncias reativas [25,26 , 27]. Nos últimos anos, os carbonos porosos foram reconhecidos como um tipo de modificação promissora e materiais de substrato, que podem aumentar significativamente a atividade de detecção eletroquímica de materiais metálicos. Por exemplo, Li et al. investigou os compostos de Co ₇ Fe ₃ nanopartículas de liga incorporadas em nanofolhas de carbono poroso (Co ₇ Fe ₃ / NPCSs). Os resultados mostraram uma faixa linear muito ampla para a detecção de glicose (de 0,001 a 14,00 mM), devido ao efeito nanoconfinado do carbono poroso [28]. Usando as estruturas metal-orgânicas (MOFs) como modelos de auto-sacrifício para preparar materiais de carbono poroso, as nanopartículas de níquel incorporadas em nanobastões de carbono nanoporosos preparados por Jia et al. apresentou boas propriedades de detecção de glicose com tempos de resposta rápidos (dentro de 1,6 s) [29]. Song et al. construiu um compósito (Cu @ C-500) consistindo de nanopartículas de cobre uniformemente incorporadas em leito de carbono poroso usando Cu MOF como matéria-prima. Devido à porosidade hierárquica, exibiu alta sensibilidade e baixo limite de detecção, e apresentou grande potencial em dispositivos sensores de glicose [30]. Portanto, com os efeitos estruturais e eletrônicos exclusivos, o material de carbono poroso é considerado um excelente parceiro para aprimorar ainda mais o desempenho eletroquímico dos nanomateriais de cobre na detecção de glicose.

Aqui, neste trabalho, os compósitos de nanopartículas de cobre acomodados em substratos de carbono poroso foram projetados e sintetizados pela calcinação de papéis de filtro baratos impregnados com íons de cobre em alta temperatura. Durante o processo de síntese, ocorreu a formação de carbono poroso e a acomodação de nanopartículas de cobre simultaneamente, o que pode ser demonstrado por microscopia eletrônica de varredura e microscopia eletrônica de transmissão. Para as medições eletroquímicas, os resultados mostram que as amostras preparadas (Cu NP @ PC) exibem alta atividade eletrocatalítica para a oxidação da glicose com a densidade de corrente de 0,31 mA / cm ⁻² no potencial de 0,55 V na presença de glicose 0,2 mM, que é muito melhor do que o do Cu NP / C. Para a detecção de glicose, a sensibilidade é determinada em 84,5 μA (mmol / L) ⁻¹ e o limite de detecção é calculado em 2,1 μmol / L, muito superior aos da maioria dos materiais relatados anteriormente. Além disso, a boa seletividade dos materiais presentes também foi demonstrada pelo experimento anti-interferência.

Experimental

Reagentes

Nitrato de cobre (Cu (NO ₃ ) ₂ · 3H ₂ O, AR), etanol (C ₂ H ₅ OH, 99,8%), glicose (C ₆ H ₁₂ O ₆ , 96%), ureia (CH ₄ N ₂ O, AR, 99%), ácido cítrico (C ₆ H ₈ O ₇ , AR, 99,5%), acetato de amônio (CH ₃ COONH ₄ , AR), cloreto de sódio (NaCl, AR, 99,5%), hidróxido de potássio (KOH, AR, 85%). Todos os reagentes mencionados acima foram adquiridos da Aladdin. A solução 5% D520 Nafion obtida na DuPont e o papel de filtro foram adquiridos na Hangzhou Fuyang BEIMU Pulp Co., Ltd. Papel carbono na Toray papel carbono condutor do Japão (TGP-060). A água utilizada em todo o experimento é ultrapura com condutividade de 18,25 MΩ⋅cm.

Instrumentos

Os espectros de difração de raios-X (XRD) foram obtidos a partir do difratômetro de raios-X de pó multiuso do instrumento X’Pert PRO MPD. Espectro infravermelho da transformada de Fourier (FT-IR) na faixa de 1000–4000 cm ⁻¹ foram registrados a partir do espectrômetro IS50 FT-IR. Os espectros Raman foram medidos no sistema inVia Qontor (Renishaw, Reino Unido) em um comprimento de onda de 532 nm. As medidas de espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS) foram realizadas em um espectrômetro Thermo ESCALAB 250XI rodando a 120 W. As morfologias da amostra foram caracterizadas por microscópio eletrônico de varredura Hitachi S4800 (SEM) com uma tensão de aceleração de trabalho de 20 kV. As imagens de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) foram coletadas do Tecnai G2 F20. As medições Brunauer – Emmett – Teller (BET) foram realizadas no aparelho de adsorção física de área de superfície específica (ASAP2020M).

Síntese de Cu NP @ PC e Cu NP / C

Normalmente, a síntese de Cu NP @ PC foi completada por pirólise de alta temperatura em duas etapas. Primeiro, os papéis de filtro comerciais foram pré-tratados a 250 ° C por 1 h em um forno tubular sob atmosfera de nitrogênio. A seguir, um pedaço de papel de filtro amarelo claro tratado com o tamanho de 10 mm \ (\ vezes \) 50 mm foi embebido em solução de nitrato de cobre transparente azul com uma concentração de 0,1 M, e foi retirado após 10 min. Após secagem à temperatura ambiente, o papel de filtro foi colocado em um barco de porcelana limpo e sucessivamente tratado a 180 ° C, 240 ° C, 900 ° C por 2 h, 2 h e 1 h em um forno tubular sob proteção de nitrogênio, respectivamente . Finalmente, o produto Cu NP @ PC foi coletado quando o sistema foi resfriado à temperatura ambiente e foi triturado antes dos testes eletroquímicos. Para as amostras controle, a síntese de Cu NP / C e carbono puro foi realizada pelo mesmo procedimento, exceto que a concentração de nitrato de cobre foi de 0,2 M e 0 M, respectivamente.

Medições eletroquímicas

Neste trabalho, todos os testes eletroquímicos foram realizados na estação de trabalho eletroquímica CHI 760E com um sistema padrão de três eletrodos em temperatura ambiente. Antes do experimento, vários pedaços de papel carbono (5 mm × 5 mm) como coletores de corrente foram enxaguados com água, etanol e secos durante a noite a 60 ° C. Para a preparação da tinta do catalisador, amostra de 10 mg (Cu NP @ PC, Cu NP / C ou pó de carbono puro) foi misturada com etanol, água e solução de Nafion (5%) em uma certa proporção de 10:10:1 para formam uma dispersão uniforme. Em seguida, a tinta do catalisador de 40 μL foi derramada em um papel carbono limpo com uma carga de 1,6 mg / cm ² , que foi usado como um eletrodo de trabalho. Um eletrodo Ag / AgCl (KCl saturado) e uma haste de grafite foram usados ​​como eletrodo de referência e contra eletrodo, respectivamente. Para os experimentos eletroquímicos, a voltametria cíclica e a voltametria de varredura linear foram adotadas para examinar qualitativamente o desempenho potencial do material preparado para a oxidação da glicose. A cronoamperometria foi usada para avaliar quantitativamente o desempenho de detecção do material preparado. Em todo o processo, uma solução de KOH 0,1 M foi selecionada como o eletrólito.

Resultados e discussão

Conforme mostrado na Fig. 1a, para a síntese de materiais alvo, o tratamento de pré-aquecimento foi permitido para remover as impurezas instáveis ​​e a umidade do papel de filtro com a mudança de cor para amarelo claro. Em seguida, para apoiar as nanopartículas de metal, os papéis de filtro tratados foram infiltrados na solução de íons de cobre. Durante o processo de calcinação em alta temperatura em um forno tubular, os átomos de cobre e minúsculos cristalitos foram formados. Como a taxa de nucleação e crescimento das nanopartículas de cobre é menor que a taxa de pirólise do carbono, esses microcristais de cobre iniciais podem catalisar a decomposição e evaporação do carbono, levando à formação de buracos [31]. Finalmente, as amostras de Cu NP @ PC marrom-pretas foram preparadas. Observe que a concentração excessiva de íons de cobre aumentará a taxa de nucleação, causando a formação de materiais de carbono não porosos. Para identificar os componentes da amostra preparada, padrões de difração de raios-X (XRD) foram coletados, conforme mostrado na Fig. 1b. Ambas as amostras Cu NP @ PC e Cu NP / C apresentam os picos de difração de cobre e carbono. Os três picos característicos agudos localizados em ângulos de difração de 43,2 °, 50,3 ° e 73,9 ° podem ser atribuídos, respectivamente, aos planos de rede de (111), (200) e (220) das nanopartículas de cobre (PDF # 04-0836) [32, 33]. O pico largo com centro em torno de 25 ° corresponde à face cristalina (002) do carbono grafitado, que irá promover o transporte de elétrons nas reações eletroquímicas subsequentes [3, 25, 34]. Para analisar as composições específicas do carbono, os espectros Raman de Cu NP @ PC e Cu NP / C foram coletados. Conforme mostrado na Fig. 1c, a banda D e a banda G podem ser determinadas de forma inequívoca pelo pico em torno de 1350 cm ⁻¹ e 1600 cm ⁻¹ , respectivamente [35]. Conforme relatado, a banda G é causada pelo movimento relativo de sp ² átomos de carbono, enquanto a banda D está conectada com o modo de respiração dos anéis de carbono [36]. Aqui, a razão da banda D / G calculada de Cu NP @ PC foi de 0,899, o mesmo com o valor de Cu NP / C. Portanto, a distribuição de carbono amorfo e grafite nanocristalina são semelhantes nas duas amostras. Isto indica quase os mesmos componentes de dois materiais preparados, isto é, que tanto Cu NP @ PC como Cu NP / C são constituídos por nanopartículas de cobre e estruturas de carbono. Para revelar ainda mais as informações da microestrutura, os espectros de FTIR de Cu NP @ PC e Cu NP / C foram investigados. Conforme apresentado na Fig. 1d, pode-se ver que os sinais localizados em 1734 cm ⁻¹ e 1628 cm ⁻¹ aparecem em Cu NP @ PC que podem ser atribuídos à vibração de alongamento de C =O [39] e à vibração de alongamento de C – O [40]. Comparado ao Cu NP / C, a banda em 2363 cm ⁻¹ do Cu NP @ PC é atribuído ao dióxido de carbono no ar. Uma ligeira banda de absorção foi observada em 3466 cm ⁻¹ do Cu NP @ PC e Cu NP / C poderia ser atribuído à vibração de alongamento da ligação O-H na molécula de água [37].

a Ilustração esquemática da preparação de amostras de Cu NP @ PC e Cu NP / C; b O padrão de difração de raios X (XRD) de Cu NP @ PC e Cu NP / C; c Espectros Raman de Cu NP @ PC e Cu NP / C; e d Espectros de FTIR de Cu NP @ PC e Cu NP / C

Para observar as morfologias e estruturas dos materiais preparados, foram realizados experimentos em microscópio eletrônico de varredura (MEV). Para a amostra Cu NP @ PC, a imagem SEM na Fig. 2a mostra que buracos abundantes são distribuídos aleatoriamente na superfície da camada de carbono, e as nanopartículas de cobre residem apenas nesses buracos. A Figura 2b mostra que quase todas as nanopartículas de cobre estão metade dentro e metade fora. Como é relatado, a reação eletroquímica geralmente envolve o transporte de elétrons e de massa. Assim, a metade interna será propícia à transferência de elétrons com o substrato de carbono, enquanto a metade externa poderá atuar como sítios ativos, interagindo com substâncias. Em última análise, isso irá melhorar a eficiência das reações eletroquímicas. Na Fig. 2c, nenhum carbono poroso foi encontrado e todas as nanopartículas de cobre estão suportadas na superfície do carbono na amostra de Cu NP / C. Algumas aglomerações ocorreram mesmo na Fig. 2d. Além disso, o tamanho das nanopartículas de cobre de duas amostras foi de 0,406 e 0,398 μm, respectivamente, com base em uma centena de nanopartículas de metal. Assim, o tamanho das nanopartículas de cobre cultivadas sob duas concentrações diferentes de íons de cobre não é muito diferente, indicando que o aumento da concentração de íons de cobre pode apenas controlar a morfologia do carbono. Além disso, pode ser visto a partir da imagem TEM na Fig. 2e que as nanopartículas de cobre aumentadas têm um tamanho semelhante a esses orifícios e parcialmente encapsuladas neles, novamente indicando que a formação bem-sucedida dos compósitos alvo. Para revelar ainda mais as propriedades porosas dos materiais preparados, as isotermas de adsorção de nitrogênio de Cu NP @ PC e Cu NP / C foram estudadas. Como mostrado na Fig. 2f, a área de superfície BET calculada dos nanomateriais Cu NP @ PC foi 309,95 m ² / g, muito maior do que Cu NP / C. Isso é consistente com os resultados do SEM e TEM.

a , b As imagens do microscópio eletrônico de varredura (SEM) de Cu NP @ PC em diferentes ampliações; c , d As imagens do microscópio eletrônico de varredura (MEV) de Cu NP / C em diferentes ampliações; e A imagem de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) de Cu NP @ PC; e f Análise de área de superfície de Brunauer – Emmett – Teller (BET) de Cu NP @ PC e Cu NP / C

Para investigar a estrutura eletrônica das amostras, foi realizada espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS). As Figuras 3a eb mostram os espectros de pesquisa XPS completos de Cu NP @ PC e Cu NP / C, respectivamente, que mostram a existência de Cu, C e O. Para o elemento Cu, a Fig. 3c apresenta o Cu 2 desconvoluído p Espectros XPS do Cu NP @ PC e Cu NP / C. Ambos os sinais foram produzidos nas mesmas posições de pico, sugerindo a mesma composição de duas amostras. Dois picos óbvios em 952,5 eV e 932,8 eV são atribuídos ao Cu 2 p _3/2 e Cu 2 p _1/2 de Cu (0), sugerindo a presença de cobre metálico [38]. As energias de ligação em 953,7 eV e em 934,8 eV são atribuídas ao Cu 2 p _3/2 e Cu 2 p _1/2 do Cu (II) [39,40,41]. A presença de Cu (II) também pode ser confirmada por picos satélites fracos em 944,2 eV e 941,4 eV [10]. A partir dos picos de ajuste correspondentes a Cu (0) e Cu (II), as razões Cu (0) / Cu (II) em Cu NP @ PC e Cu NP / C são estimadas em 2,2 e 1,8, respectivamente. Isso pode ser explicado pelo fato de que os átomos de cobre da superfície em Cu NP @ PC não são fáceis de serem oxidados devido ao encapsulamento da camada de carbono porosa. Enquanto isso, mais átomos de cobre metálico podem desempenhar um papel importante para a detecção de glicose. Para os C1 s espectro das duas amostras na Fig. 3d, três sinais localizados em 289 eV, 286 eV e 284,8 eV correspondem a C =O, C – O, C – C / C – H, respectivamente, indicando a existência de oxigênio contendo grupos funcionais, como o grupo carboxila [42, 43] e em consistência com os resultados de FTIR.

a Espectro de pesquisa XPS de Cu NP @ PC; b Espectro de pesquisa XPS de Cu NP / C; c Cu 2 p Espectros XPS de Cu NP @ PC e Cu NP / C; e d Espectros C 1 XPS de Cu NP @ PC e Cu NP / C

Com base nas vantagens do carbono poroso, as propriedades de detecção eletroquímica de Cu NP @ PC e Cu NP / C em relação à glicose foram investigadas em solução de KOH 0,1 M. O material de carbono puro sem nanopartículas de cobre é usado como amostra de referência. Conforme mostrado na Fig. 4a, as curvas voltamétricas cíclicas (CV) mostram a maior resposta de corrente do Cu NP @ PC com a presença de 0,2 mM de glicose no eletrólito, quando comparada àquela do Cu NP / C e da amostra de carbono puro. Especificamente, a densidade de corrente de 0,31 mA / cm ⁻² foi obtido no potencial de 0,55 V. Isso indica que o Cu NP @ PC preparado é o melhor catalisador para a oxidação da glicose, o que pode ser razoável por possuir estrutura porosa. Conforme relatado, a porosidade pode favorecer o transporte de massa [29]. Aqui, para demonstrar o transporte de massa aprimorado, o efeito das taxas de varredura na oxidação da glicose foi investigado no eletrodo modificado de Cu NP @ PC. Como mostrado na Fig. 4b, a densidade de corrente aumenta em um gradiente com a taxa de varredura mudando de 20, 40, 60 a 80 mV / s. A Figura 4c mostra a curva de ajuste entre a densidade de corrente ( J _p ) e a raiz quadrada da taxa de varredura ( v ^1/2 ) A relação linear pode ser expressa como: J _p =0,00254 v ^1/2 - 0,00359 (coeficiente de correlação: R ² =0,995), indicando um processo de difusão controlada da oxidação da glicose no eletrodo modificado Cu NP @ PC [44]. Além disso, na Fig. 4d, os espectros de impedância eletroquímica (EIS) apresentam que a resistência de transferência de carga do Cu NP @ PC é menor do que a do Cu NP / C. Portanto, combinando o transporte de massa promovido e o processo de transferência de elétrons aprimorado, a oxidação catalítica da glicose no eletrodo modificado Cu NP @ PC pode ser esboçada na Fig. 4e. O Cu (II) foi primeiro oxidado a Cu (III), que posteriormente aceitou um elétron e foi reduzido a Cu (II). Durante esse processo, a molécula de glicose doou um elétron e foi oxidada a gluconolactona. Beneficiando-se da porosidade dos materiais, a gluconolactona formada pode ser rapidamente transferida para a solução e então hidrolisada em ácido glucônico [3, 45].

a Curvas CV de Cu NP @ PC, Cu NP / C e amostra de carbono puro para reação de oxidação de glicose; (Glicose 0,2 mM, KOH 0,1 M, taxa de varredura:100 mV / s.) b Curvas CV de Cu NP @ PC em KOH 0,1 M em diferentes taxas de varredura (20, 40, 60, 80 mV / s); c Gráfico da densidade de corrente em 0,4 V em relação à raiz quadrada da taxa de varredura; d Os espectros de impedância eletroquímica de Cu NP @ PC e Cu NP / C; e e O diagrama esquemático do processo de mecanismo de conversão de glicose no Cu NP @ PC

De acordo com o desempenho de oxidação catalítica eletroquímica superior, o desempenho potencial de detecção de Cu NP @ PC em relação à glicose foi examinado. Para estudar qualitativamente a resposta da corrente do Cu NP @ PC à concentração de glicose, foi realizada voltametria cíclica nas concentrações de 2, 4, 6, 8 e 10 mM. Conforme mostrado na Fig. 5a, a densidade de corrente do eletrodo modificado de Cu NP @ PC aumenta gradualmente com o aumento da concentração de glicose, sugerindo o potencial excelente desempenho de detecção. Para revelar quantitativamente as propriedades de detecção de glicose do Cu NP @ PC, a cronoamperometria (I-t) foi realizada e o potencial de 0,55 V foi escolhido. Como mostrado na Fig. 5b, a densidade de corrente do eletrodo modificado de Cu NP @ PC aumenta passo a passo com a concentração de glicose aumentando de 0,01 para 1,1 mM. A partir das curvas I – t, na Fig. 5d, a curva de calibração ajustada entre as concentrações de glicose e as correntes de resposta pode ser expressa como: y =0,3378 x + 0,0077 (coeficiente de correlação: R ² =0,997). Enquanto isso, a sensibilidade foi determinada em 84,5 μA (mmol / L) ⁻¹ . De acordo com a fórmula de LOD =3 σ / q [46] (σ refere-se ao desvio padrão da resposta em branco eq é a inclinação dessa curva de regressão linear), o limite de detecção foi calculado em 2,1 μmol / L. Esses dois índices são muito melhores do que aqueles da maioria dos relatórios anteriores, como mostrado na Fig. 6b [47,48,49,50,51,52]. Como comparação, a densidade de corrente da curva I-t do eletrodo Cu NP / C modificado também mostra uma mudança de gradiente com o aumento da concentração de glicose, como mostrado na Fig. 5c. No entanto, a magnitude da mudança foi significativamente reduzida. Conforme mostrado na Fig. 5d, a curva linear de ajuste entre as concentrações de glicose e a corrente de resposta foi representada como: y =0,007 x + 0,0017 (coeficiente de correlação R ² =0,998). A sensibilidade foi de 1,75 μA (mmol / L) ⁻¹ e o limite de detecção foi estimado em 10 μmol / L. Portanto, em comparação com os resultados de Cu NP / C, o desempenho de detecção da amostra Cu NP @ PC também foi melhorado pelo substrato de carbono poroso.

a Curvas CV de Cu NP @ PC em KOH 0,1 M com a presença de glicose em diferentes concentrações de 2, 4, 6, 8 e 10 mM. Taxa de varredura:100 mV / s; b As respostas amperométricas de Cu NP @ PC após adição sucessiva de solução de glicose em KOH 0,1 M a 0,55 V (vs Ag / AgCl); c As respostas amperométricas de Cu NP / C após adição sucessiva de solução de glicose em KOH 0,1 M a 0,55 V (vs Ag / AgCl); e d As curvas de calibração correspondentes do Cu NP @ PC e Cu NP / C para detecção de glicose. As barras de erro foram obtidas com base em três repetições do experimento

a As correntes de resposta de Cu NP @ PC após a injeção de solução de glicose 0,01 mM, acetato de amônio 0,01 mM (NH ₄ OAc), cloreto de sódio 0,01 mM (NaCl), ureia 0,01 mM (UA), ácido cítrico 0,01 mM (CA), respectivamente; e b A compaixão de LOD e sensibilidade entre Cu NP @ PC e materiais relatados anteriormente

Como é bem conhecido, a capacidade anti-interferência é outro fator chave para avaliar o desempenho de detecção dos materiais. Neste trabalho, para investigar a seletividade do eletrodo modificado de Cu NP @ PC em relação à glicose, várias substâncias interferentes, incluindo acetato de amônio (NH ₄ OAc), cloreto de sódio (NaCl), ureia (UA), ácido cítrico (CA) na concentração de 0,01 mM foram escolhidos e foram injetados sucessivamente no eletrólito [53]. Obviamente, as mudanças na densidade da corrente causadas pelas substâncias interferentes podem ser desprezíveis. Somente quando a glicose 0,01 mM foi injetada, a densidade da corrente aumentou significativamente, independentemente das interferências acima, conforme mostrado na Fig. 6a. Além disso, usando a urina como substrato, este sistema proposto ainda pode atingir a detecção de sensibilidade à glicose, comparável ao papel de teste comercial (Arquivo adicional 1:Figura S3 e S4). Portanto, os materiais Cu NP @ PC possuem uma excelente oxidação catalítica eletroquímica e capacidade de detecção de glicose.

Conclusão

Um compósito consistindo de nanopartículas de cobre e substratos de carbono poroso foi projetado e sintetizado pela calcinação dos papéis de filtro comerciais impregnados com os íons de cobre. Com as vantagens da porosidade, o Cu NP @ PC preparado apresentou excelente capacidade de oxidação e detecção eletroquímica de glicose. A sensibilidade foi determinada em 84,5 μA mM ⁻¹ e o limite de detecção foi calculado em 2,1 μM, que é muito superior aos da maioria dos relatórios anteriores. Além disso, o eletrodo modificado de Cu NP @ PC também exibiu boa seletividade para glicose. Portanto, o compósito preparado neste trabalho fornecerá não apenas um novo candidato para a construção de sensores portáteis de glicose, mas também um novo pensamento para a preparação de materiais de carbono porosos.

Disponibilidade de dados e materiais

Os dados e conclusões deste trabalho são todos apresentados neste artigo.

Abreviações

LOD:

Limite de detecção

rGO:

Óxido de grafeno reduzido

MOF:

Estrutura metal-orgânica

XRD:

Difração de raios X

SEM:

Microscópio eletrônico de varredura

TEM:

Microscopia eletrônica de transmissão

BET:

Brunauer – Emmett – Teller

XPS:

espectroscopia de fotoelétrons de raios-X

CV:

Curvas voltamétricas cíclicas

I-t:

Cronoamperometria

UA:

Uréia

CA:

Ácido Cítrico

Troca de limite do seletor Ag-Ga2Te3 com alta resistência para aplicações em matrizes de ponto cruzado Habilite uma redistribuição de tamanho fácil de gotas Ga crescidas em MBE por meio de disparo a laser pulsado in situ